Употреба на NiMH акумулаторни батерии за лично осветление в пещери

Малките размери и тегло и високата надеждност на елекрическото осветление го правят естествен избор за огромното мнозинство пещерняци. За захранване на личното осветление на пещерняка се използват първични или вторични химически източници на ток.
Първичните източници на ток (например алкалните батерии) имат сравнително ниска цена и дълъг срок на съхранение; при тях обаче електрохимичната реакция е необратима - веднъж изтощени, те не могат да се ползват повече.
При вторичните източници на ток (акумулаторите) електрохимичната реакция е обратима и след като се изтощят, те могат да се заредят отново - този цикъл разреждане/зареждане може да се повтори стотици пъти.
За да избегнем неприятни изненади, породени от разредени или недобре заредени акумулатори, е добре да познаваме техните свойства. Настоящият текст е опит да се обобщи опитът при използването на NiMH акумулаторни батерии за осветление в пещери. Анализират се опитни резултати от изследването на популярните батерии с малък саморазряд Sanyo Eneloop. При изследването нивата на токовете са избрани да бъдат близки до тока, консумиран от челник Petzl Duo с 14 светодиода при
средна степен на яркост.

1.Капацитет.
Капацитетът на един акумулатор е енергията, която той може да запаси в себе си. Той зависи както от типа на акумулатора, така и от неговите размери и конструкция. Тъй като напрежението на всеки вид акумулатор е добре известно и остава сравнително постоянно, е удобно капацитета на акумулаторите да се дава в единицата ампер-час [Ah]. За малки
акумулатори се използва производната единица милиамперчас [mAh], не е трудно да се съобрази, че 1Ah=1000 mAh.
Така капацитетът на акумулаторите в амперчасове се определя като умножим токът, който отдават, по времето, през което го отдават докато се изтощят.
Например, от акумулатор с капацитет 2000 mAh можем да черпим ток от 200 mA в продължение на 10 часа (200х10=2000) или ток от 400 mA в продължение на 5 часа (400х5=2000). Все пак, параметрите на батериите са валидни в определени граници. За
горната батерия ако черпим ток от 100mA, можем да го правим в продължение на 20 часа и да „изстискаме” 2000 mАh, но от същата батерия няма да можем в продължение на половин час да черпим ток от 4 ампера (а и не е здравословно за батерията).

1.1. Обявен и реален капацитет.
Обявеният на тялото на батерията капацитет (напр. 800 mAh; 2000 mAh; 2700 mAh) е средният за тази марка и размер. Честните производители добавят отдолу с много ситни букви и минималната стойност (например 800/min750mAh или 2000/min1900mAh).
За съжаление, стойностите на капацитета, които се измерват на практика, са по-ниски от типичните и често близки до минималните.
В Таблица 1 са дадени измерените стойности на капацитета за няколко вида батерии.
БЕЛЕЖКА: Извадка от десетина бройки не е статистически достоверна, получените стойности са само ориентировъчни!

Таблица 1: Ориентировъчни стойности на капацитета за някои видове акумулаторни батерии.

1.2. Саморазряд на акумулаторите.
Неприятно свойство на акумулаторите е техният саморазряд – дори и при липса на външен товар, акумулаторът се саморазрежда и запасената в него енергия постепенно намялява. Наличието на силен саморазряд доскоро бе една от основните пречки (наред с цената) пред по-широкото използване на акумулаторни батерии вместо първичните източници на ток – докато един алкален елемент Duracell, например, запазва своя заряд на практика непроменен в продължение на 4-5 години, то един NiCd или NiMH елемент само за един-два месеца може да загуби 20-30 % от заряда си.
Скоростта на саморазряд не е постоянна: в първите 1-2 дни се губят 3-7% от заряда, след това загубите постепенно се забавят до около 1% дневно. Преди няколко години вследствие на технологични подобрения се появиха NiMH акумулатори с малък саморазряд (на английски Low Self-Discharge – LSD). Първо се появиха Sanyo Eneloop, а не след дълго и други производители, като Varta, Duracell, GP и др. предложиха на пазара NiMH батерии с малък саморазряд. Основната им отличителна черта е, че дори няколко месеца или година след зареждане запазват 70-80% от поетия заряд. (Саморазрядът на LSD батериите може да бъде измерен, но това изисква блокирането на поне десетина акумулатора за период от две години.)
По време на писането на този текст случайно бе намерен на един акумулатор Sanyo Eneloop, заделен преди време настрана поради съмнения в неговата годност. След повече от две години престой в чекмеджето в него бяха останали 45% от първоначалния заряд.
Наистина, при еднакви други условия акумулаторите с малък саморязряд имат по-малък капцитет в сравнение с „обикновените” акумулатори (а пък цената им е по-висока). Типични стойности за размер АА са 2700mAh за обикновени акумулатори и 2000 mAh за такива с малък саморязряд.
По тази причина много хора предпочитат обикновените акумулаторни батерии и техния голям капацитет, съчетан с по-ниска цена.
Този подход е оправдан, ако батериите се ползват веднага или в рамките на няколко дни след зареждане. След един-два месеца престой в една 2700 mAh обикновена батерия може да има по-малко заряд, отколкото в една 2000 mAh батерия с малък саморазряд. Това, съчетано с по-дългия живот на LSD акумулаторите, прави тяхната покупката разумна инвестиция.

1.3. „Ефект на паметта”.
„Ефектът на паметта” (на английски Memory effect) е силно изразен при старите NiCd и по-слабо изразен при съвременните NiMH акумулатори. Изразява се в това, че ако един акумулатор системно се разрежда не докрай, а до някакво междинно ниво, той постепенно „запомня”, че от него се иска точно толкова заряд, а не пълния капацитет и съответно не отдава повече от това, което е „запомнил”.
Образно можем да оприличим ефекта на паметта на една кофа, в която пренасяме циментов разтвор – ако след края на всеки работен ден не почистваме кофата, то по стените й постепенно се напластява втвърден цимент и кофата продължава да е голяма и тежка, но полезният й обем става все по-малък.
Днес много производители твърдят, че вече са преодоляли ефекта на паметта. Дали е така може да се провери, но изисква време и евентуално съсипване на няколко акумулатора.
За щастие, ефектът на паметта може лесно да бъде избягнат без никакви разходи:
Просто е необходимо преди всяко зареждане първо да разредим акумулаторите докрай. Като странична полза получаваме, че винаги знаем състоянието на нашите батерии – те или са заредени или разредени, избягваме състоянието „има някакъв заряд”, което може да ни изиграе лоша шега в пещерата.

2. Поведение на батерията.
Можем да представим една батерия с еквивалентна схема, състояща се от последователно свързани „идеален” източник на напрежение и резистор.

Фиг. 1 – еквивалентна схема на батерия

Източникът на напрежение Vo е „идеален”, това напрежение зависи от използваната електрохимична реакция (т.е. от вида на батерията) и се променя сравнително слабо. Напрежението Vo може да се измери на празен ход (без товар към батерията) с помощта на волтметър.
За напълно зареден NiMH елемент напрежението на празен ход е от порядъка на 1,30-1,40 волта (има малки разлики при различните марки).
За напълно разреден NiMH елемент напрежението на празен ход е от порядъка на 1,10-1,20V.
Напрежение на празен ход от порядъка на 1Vи по-малко показва, че акумулаторът е към края на своя жизнен път.
Вътрешното съпротивление Rin зависи от вида и конструкцията на батерията, нейното състояние, протичащият ток, температурата и др.
БЕЛЕЖКА: Вътрешното съпротивление не се мери с омметър! То може да бъде определено косвено от напреженията на празен ход и при известен товар.

Наличието на вътрешното съпротивление поражда няколко важни следствия:
а) то ограничава максималния ток, който акумулаторът може да даде;
б) при свързване на товар, вследствие на пада на напрежение върху Rin, напрежението върху товара е по-ниско от напрежението на празен ход;
в) това съпротивление поражда загуба на енергия както при разреждане, така и при зареждане.
На фиг. 2 е показано напрежението върху изводите на батерия за Sanyo Eneloop 2000 в зависимост от консумирания ток.

Фиг. 2 – Напрежение върху изводите на елемент Sanyo Eneloop 2000 в зависимост от консумирания ток

БЕЛЕЖКА: В практиката, поради съпротивлението на свързващите проводници и ключове (от порядъка на 0.3 – 0.5 Ω), напрежението върху товара може да бъде още по-малко.

Разликата между напрежението на празен ход и напрежението, което имаме върху товара е „похарчена” във вътрешното и паразитните съпротивления и обуслява загуба на енергия, отделена във вид на топлина. Колкото по-голям ток черпим, толкова по-голяма част от запасената в батерията енергия се губи във вид на топлина.
Нека сега да разгледаме как се държи батерията и как се променят параметрите на нейната еквивалентна схема при зареждане и разреждане.

2.1. Напрежение на батерията при зареждане и разреждане:
Измерването на напрежението върху изводите на батерията е лесен, но неточен начин да се прецени нейното състояние тъй като зависимостта между степента на зареденост на батерията и напрежението на празен ход е силно нелинейна.
На фиг. 3 е показано напрежението на изводите на батерията в зависимост от заряда, който е поела при зареждане от 0% - напълно разредена батерия, до 100% - напълно заредена.

Фиг. 3 – Напрежение на изводите на NiMH батерия при зареждане.

Първоначалният бърз скок на напрежението отговаря на само 20% поет заряд. Ако по спешност искаме бързо да „освежим” изтощени батерии, не бива да разчитаме на полученото привидно добро напрежение, поетият заряд е все още твърде малък. Между 25 и 85% от максималния заряд напрежението се изменя съвсем слабо. В последните 20% от заряда напрежението отново започва бързо да се покачва, това показва, че процесът е почти завършил. При достигане на напрежение около 1,47 V зареждането се прекратява. Няколко часа след изваждане от зарядното устройство напрежението леко спада – зелената
линия на фиг. 3, след няколко дена напрежението постепенно спада още малко – синята линия. Този спад е напълно нормален и не бива да ни тревожи.
При разреждане кривата на разряд има сходна, но обърната форма – Фиг. 4.

Фиг. 4 – Напрежение на изводите на NiMH батерия при разреждане

Добре поддържаните и добре заредени батерии имат ясно изразено „плато”, при което отдават по-голямата част от заряда си. Когато батерията е около 80% - 90% разредена, напрежението й рязко спада. Тази рязка промяна често поражда неприятни изненади - „Ама батериите си бяха добре заредени, два пъти влизам с тях в пещера, идеално си светеха, пък
сега изведнъж какво им стана???”
Когато индикаторът на челника светне в червено, вече нямаме много заряд на разположение.

2.2. Вътрешно напрежение на батерията при зареждане и разреждане.
За разлика от напрежението на празен ход, което при напълно заредени и разредени батерии се различава с около 30%, то вътрешното съпротивление се изменя няколко пъти в зависимост от това доколко е заредена батерията. При това, с разреждането на батерията вътрешното съпротивление нараства не постепенно, а скокообразно – фиг. 5.

Фиг. 5 – Вътрешно съпротивление на батерия Sanyo Eneloop 2000 в зависимост от това доколко е заредена

Тази особеност е особено важна при употребата на батериите в устройства, които консумират голям ток, например светкавици. С постепенното изтощаване на батериите тяхното напрежение намалява и едновременно с това рязко нараства вътрешното съпротивление. Двата ефекта се усилват и отказът на светкавицата да зареди настъпва изведнъж. Това неприятно
явление е наблюдавано неведнъж във фотографската практика.

4. Грижи за батериите
Грижливото отношение към батериите се отплаща с години вярна служба, запазва максимално дълго техните параметри и най-важното: гарантира тяхната надеждна работа, така необходима в пещерното дело.

4.1. Зареждане.
Прекомерното зареждане е съсипало повече батерии, отколкото интензивната употреба. Една от най-често срещаните и най-пагубни за батериите грешки е непълно разредена батерия да се сложи в зарядното устройство и да се остави така цяла нощ, докато не почне да пари.
(Обратната ситуация – непълно зареждане, не е вредна за батериите, просто сме „сипали” по-малко заряд.)
Преди да заредим батерията тя трябва да е напълно разредена.
Повечето зарядни устройствя, дори и прости и евтини модели, имат буточне “refresh”. Когато го натиснем, устройството първо контролирано разрежда батерията и чак след това започва да я зарежда. Ако не разполагаме със зарядно устройство с такава функция можем да разредим батерията просто като я оставим във включеното устройство, където я ползваме, докато неговият индикатор не покаже изтощена батерия.

4.1.1. Ток на зареждане
За да удължим живота на батерията, е желателно зареждането да става с ток равен на 1/10 от нейния капацитет, например батерия с капацитет 2000 mAh да се зарежда с 200 mA ток.
Ако се налага бързо да заредим батериите може да увеличим тока, но е желателно да не бъде повече от 1/3 от капацитета (за горния пример – не повече от 600мА заряден ток).
Зареждане с по-големи токове може да предизвиква загряване, прекалено интензивно отделяне на странични продукти на електрохимичната реакция и да съкрати живота на батериите.

4.1.2. Време за зареждане
Ако разполагаме с „интелигентно” зарядно устройство, не се налага да следим процеса на зареждане – то има грижа да прекрати зареждането, когато батерията е напълно заредена. Такива „интелигентни” зарядни устройства има вече в достатъчно разнообразие и на все по-достъпна цена.
Липсата на “умно” зарядно устройство леко усложнява нещата.
На всяко зарядно устройство е написан токът, който дава. Ако разделим капацитета на батерията на този ток, получаваме теоретичното очаквано време за зареждане. Преобразуването на електрическата енергия във химическа, обаче, както всяко преобразуване, е свързана със загуби.
Основната трудност при определянето на времето за зареждане е да се предвидят загубите. Като цяло производителите препоръчват заряден ток 1/10 от капацитета и удължаване на времето с 40-50%. При по-големи зарядни токове презапасяването е по-малко – в рамките на 10-20%.
Например, нека имаме зарядно устройство, което дава 300мА заряден ток за батерии с размер АА и 150 мА за батерии с размер ААА. Имаме 2 батерии АА с капацитет 2000 mAh и 2 батерии ААА с капацитет 800 mAh.
За времето на зареждане получаваме съответно:
за АА: 2000/300 х 1.3 = 8 часа и 40 минути
за ААА: 800/150 х 1.3 = 6 часа и 56 минути
Възможно е (особено при по-голям заряден ток) по време на зареждане батериите да се загреят. Допустимо е да бъдат леко топли – с “телесна” температура.
Рязко загряване и температура по-висока от 50-53ºС показват, че сме прекалили и трябва да прекратим зареждането.

БЕЛЕЖКА: Ако зарядното устройство не е”умно”, то продължава да прокарва ток през батерията дори и когато тя е напълно заредена. Това не увеличава наличния заряд, а само ненужно загрява и вреди на батерията.

4.2. Експлоатация
Независимо, че съвременните акумулаторни батерии могат да отдават значителен ток без да се повредят, черпенето на голям ток е добре да се избягва. За максимално дълъг живот на батерията е желателно като груб ориентир консумираният ток [в mA] да е от порядъка на 1/20 – 1/10 от нейния капацитет [в mAh]. Токове по-големи от 1/3 капацитете е добре да се избягват.
Изключение правят светкавиците, които консумират много голям ток, но в продължение на само няколко секунди.

4.3. Съхранение.
Както при употреба, така и при съхранение батериите трябва да се пазят чисти и сухи. Ако няма да се ползват продължително време, батериите следва да се извадят от челника и да се съхраняват на хладно, за препоръчване в заредено състояние, независимо дали са обикновени или с малък саморазряд.
Високите температури ускоряват саморазряда, затова батериите трябва да се съхраняват на хладно. Препоръчителната температура на съхранение е между 0 и 30ºС.
Изобщо, излагането на батериите на високи температури, независимо дали е по време на употреба, съхранение или зареждане е вредно за тях и трябва да се избягва.
При много дълго съхранение, без да се ползват, батериите следва да се презареждат на няколко месеца, поне от веднъж годишно.
При продължително съхранение е възможно параметрите на батерията да се влошат. В такъв случай може да се наложат 3-4 цикъла разряд-заряд, за да влезе тя отново във форма.

март 2012 г.
Димитър П. Димитров
Пещерен клуб „Искър” - София

Powered by Drupal - Design by artinet